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문제 정의
- 암거를 포함한 수문은 내수 배제, 역류 방지 및 각종 용수의 취수를 위해 하천 또는 제방에 설치되는 구조물로서(MLTMA, 2009) 본 연구는 배수통문의 기존제체 구간과 보축제체 구간 연결부에서 손상 발생시 위치별로 배수통문의 수문이 닫혀 있을 경우에 대하여 수치해석을 통해 2차원 침투 특성을 분석한 것이다. 분석결과로 부터 파이핑 발생 가능성을 예측하고 배수통문의 수문위치가 보축제체의 안정성에 기여하는 바를 평가하여 제체의 유지 관리 및 설계시 합리적인 기준 설정에 도움을 주고자 하는 것이다.
- 암거를 포함한 수문은 내수 배제, 역류 방지 및 각종 용수의 취수를 위해 하천 또는 제방에 설치되는 구조물로서(MLTMA, 2009) 본 연구는 배수통문의 기존제체 구간과 보축제체 구간 연결부에서 손상 발생시 위치별로 배수통문의 수문이 닫혀 있을 경우에 대하여 수치해석을 통해 2차원 침투 특성을 분석한 것이다. 분석결과로 부터 파이핑 발생 가능성을 예측하고 배수통문의 수문위치가 보축제체의 안정성에 기여하는 바를 평가하여 제체의 유지 관리 및 설계시 합리적인 기준 설정에 도움을 주고자 하는 것이다.
제안 방법
- 이때 배수통문 내부 및 누수 발생 위치의 절점은 주변 토질재료보다 극단적으로 큰 투수계수(k=103 m/sec)를 입력하여 파손 부로의 침투수가 유입되는 누수 발생 현상이나 통관내부에서 물의 흐름에 최대한 제약이 되지 않도록 모사하였다. 또한 배수통문을 구성하는 외부 두께에 해당되는 부분은 불투수층으로 설정하였다.
- 또한 수위 변화에 따른 간극수압의 변화를 분석하기 위하여 보축제체구간의 파손부 상부 P1, 파손부 하부 P2, 기존제체구간 P3, P4를 설정하였다. Fig.
- 제체를 관통하는 배수통문 신구 연결부에서 균열, 파손 및 이격 등의 손상 발생시 배수통문 수문의 위치에 따른 침투 경향을 분석하고 이로 인해 제체의 파이핑 발생 가능성을 확인하였다. 본 연구를 위해 기존제체에 제외지 보축이 이루어지고 기존제체를 관통하는 배수통문을 연결 하여 보축구간까지 연장 설치한 곳을 대상지로 선정하여 2차원 침투해석을 수행하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 1m의 요소를 구성하여 모델링 하였다. 수치해석을 위한 분할요소 크기는 구조물 기초 설계기준 해설(KGS, 2009)에서 제안하는 제체 높이(H)의 1/10이하 또는 한 변의 최소길이가 0.5m이하가 되도록 설정하였으며 배수통문 내부 요소망은 0.2m의 조밀한 메쉬로 구성하였다. 이때 배수통문 내부 및 누수 발생 위치의 절점은 주변 토질재료보다 극단적으로 큰 투수계수(k=103 m/sec)를 입력하여 파손 부로의 침투수가 유입되는 누수 발생 현상이나 통관내부에서 물의 흐름에 최대한 제약이 되지 않도록 모사하였다.
- 2m의 조밀한 메쉬로 구성하였다. 이때 배수통문 내부 및 누수 발생 위치의 절점은 주변 토질재료보다 극단적으로 큰 투수계수(k=103 m/sec)를 입력하여 파손 부로의 침투수가 유입되는 누수 발생 현상이나 통관내부에서 물의 흐름에 최대한 제약이 되지 않도록 모사하였다. 또한 배수통문을 구성하는 외부 두께에 해당되는 부분은 불투수층으로 설정하였다.
- 이때 배수통문의 수문은 제외지측에 위치하고 닫혀 있으며 파손부로의 유출이 발생하지 않을 경우(또는 파손이 발생하지 않았을 경우)와 닫혀 있는 수문이 제외지에 위치하는 경우, 제내지에 위치하는 경우, 그리고 제내지 및 제외지 양쪽에 위치하는 경우에서 파손부에 서의 누수로 인한 유출이 발생하는 경우 등 4가지 조건으로 구분하였다.
- 파이핑에 의한 제체 안정 분석은 침투 유출 속도와 동수경사 및 간극수압 분포를 구하고 이를 분석하여 평가하였다. 이때 침투 유출 속도 및 동수경사 분석위치는 배수통문 파손부에서 각각 0.3m 거리를 둔 상부측 A, 하부측 B를 선정하였는데 이는 분석 위치가 누수 발생 위치와 지나치게 근접하게 되면 배수통문 내부로의 침투수 유출에 따른 직접적인 영향을 받기 때문에 이를 고려하여 정하였다(Fig. 6(a) 참조).
- 하천 수위가 상승하게 되면 제내지로의 역류를 방지하기 위해 제체에 설치된 배수통문의 수문을 닫게 된다. 이에 따라 해석 조건은 닫힌 수문이 제외지에 위치한 경우, 제내지에 위치한 경우, 제외지와 제내지에 위치한 경우와 더불어 파손부로 누수로 인한 유출이 발생하지 않을 경우(또는 파손이 발생하지 않았을 경우)에 대해서 배수통문의 수문이 제외지에 설치한 경우 등으로 구분하여 조건을 설정하였다.
- 연약지반에 보축된 하천제체에서 기존제체와 보축제체 연결부는 시간적 시공 조건의 차이에 따라 부등침하 등과 같은 이질적인 지반침하가 발생할 수 있다. 제체를 관통하는 배수통문 신구 연결부에서 균열, 파손 및 이격 등의 손상 발생시 배수통문 수문의 위치에 따른 침투 경향을 분석하고 이로 인해 제체의 파이핑 발생 가능성을 확인하였다. 본 연구를 위해 기존제체에 제외지 보축이 이루어지고 기존제체를 관통하는 배수통문을 연결 하여 보축구간까지 연장 설치한 곳을 대상지로 선정하여 2차원 침투해석을 수행하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 파이핑에 의한 제체 안정 분석은 침투 유출 속도와 동수경사 및 간극수압 분포를 구하고 이를 분석하여 평가하였다. 이때 침투 유출 속도 및 동수경사 분석위치는 배수통문 파손부에서 각각 0.
대상 데이터
- 본 연구의 모델해석을 위한 대상지는 금강하류 지역으로 기존제체에 제외지측으로 보축이 이루어진 전형 적인 보축 제체이다. 배수통문은 제체를 횡단하여 설치되어 있으며 기존제체 구간으로부터 직접 연결하여 보축 구간까지 연장 설치되었다.
- 0으로 시공되었다. 제체 높이는 최대 10m 이고, 기초지반은 약 10m두께의 연약점토층으로 구성되어 있다. 고수위(H.
- 지반 및 제체를 구성하고 있는 재료의 체적함수비와 부간극수압(metric suction) 관계 등 불포화 함수특성은 기존 자료를 활용하였다. 즉, 본 제체의 성토재료는 일반적인 성토재료로 활용되는 화강풍화토로서 흙의 입도 등 물리적 특성이 유사한 성환 풍화토의 자료(Ryu, 2000)를 적용하였으며, 연약점토로 구성된 기초지반은 점성토 자료(GeoStudio, 2008)를 환산하여 적용하였다. 불포화 투수계수와 부간극수압(metric suction)에 대한 특성은 실제와의 일치도가 높다고 평가되고 있는 Fredlund and Xing(1994)의 함수특성곡선(Kim et al.
- 지반 및 제체를 구성하고 있는 재료의 체적함수비와 부간극수압(metric suction) 관계 등 불포화 함수특성은 기존 자료를 활용하였다. 즉, 본 제체의 성토재료는 일반적인 성토재료로 활용되는 화강풍화토로서 흙의 입도 등 물리적 특성이 유사한 성환 풍화토의 자료(Ryu, 2000)를 적용하였으며, 연약점토로 구성된 기초지반은 점성토 자료(GeoStudio, 2008)를 환산하여 적용하였다.
이론/모형
- 1에서 제시하고 있는 바와 같다. 그리고 제체 구성의 지반 특성 및 입도분포곡선은 Table 1 및 Fig. 2와 같으며, 제체 보축 시공에 따른 준공도서를 참고하였다(MLTMA, 2012).
- 기초지반이 연약한 층으로 구성된 보축제체에서 배수통문 구조물의 기존제체와 보축제체 사이의 연결부에 기초지반 이질 침하에 따른 균열 및 파손이 발생할 경우 닫힌 수문의 위치가 제체 안정에 미치는 영향을 분석하기 위하여 비정상류 침투해석을 실시하였으며, 해석 방법은 FEM(finite element method)으로 SEEP/W (GEO-SLOPE, 2008)를 사용한 2차원 해석을 수행하였다.
- 즉, 본 제체의 성토재료는 일반적인 성토재료로 활용되는 화강풍화토로서 흙의 입도 등 물리적 특성이 유사한 성환 풍화토의 자료(Ryu, 2000)를 적용하였으며, 연약점토로 구성된 기초지반은 점성토 자료(GeoStudio, 2008)를 환산하여 적용하였다. 불포화 투수계수와 부간극수압(metric suction)에 대한 특성은 실제와의 일치도가 높다고 평가되고 있는 Fredlund and Xing(1994)의 함수특성곡선(Kim et al., 2010)을 활용 하여 체적함수비와 부간극수압의 관계로부터 구하였다.
성능/효과
- (1) 제외지측에 수문이 위치하는 경우 파손부로의 누수로 인한 유출 영향으로 유출이 발생하지 않을 때와 비교하여 누수발생 위치 주변으로 침윤선이 집중되었으며, 고수위 상태가 지속되는 동안 침윤선은 누수 지점을 향하여 짧은 침투 경로를 보여 이로 인해 큰 동수경사를 보일 수 있음을 예측할 수 있었다. 또한, 제내지측 수문이 닫혀 있는 경우 고수위시 긴침투 경로를 형성하며, 누수가 없는 경우에 비해 상대적으로 높은 침윤선의 상승을 보였다.
- (3) 수문이 제내지에 위치하는 경우 고수위에서 수위가 저하하는 일부시간대에 제체로부터 파손부를 향하여 하향의 유출이 발생하면서 일시적인 토사 유출 가능성을 보인다. 즉, 오랜 세월 이러한 현상이 반복 적으로 발생하는 경우 장기적인 제체 안정에 손상을 줄 수도 있을 것이다.
- (4) 배수통문 파손부 주변의 동수경사를 비교해 보면 제외지측 수문 위치시 하부 파손부 주변이 상부 파손부 주변의 약 1/3 정도 수준을 보여 파이핑 가능성은 구조물 하부보다는 상부에서 크게 나타나고 있었다.
- (5) 제내지측에 수문이 있고 파손부 유출이 발생할 때가 파손부 유출이 없을 때보다 약 1.8배 정도 높은 간극수압을 보였으며, 제외지측에 수문이 위치하는 경우 유출이 발생하지 않을 때와 비교하여 상대적으로 아주 낮은 간극수압 분포를 보였다.
- (6) 제체 제내지 끝단에서의 유출은 제내지에 수문이 위치하고 누수가 발생한 경우에 가장 크게 일어났으며, 제외지에 수문이 위치한 경우에는 제내지 끝단에서의 유출은 거의 나타나지 않았는데 이는 박스 구조물의 중간 파손부에서의 누수 영향으로 판단된다.
- 5day정도의 침투시간차가 있음을 알 수 있다. 고수위에 도달하는 34day 이후 34.25day 때 최고 유출 속도를 나타내고 고수위 유지시간인 39day까지 서서히 저하하는 경향을 보이고 있으며, 그 후 수위가 하강하는 순간 급격한 유출 속도 저하를 보인 후 완만하게 저하된다.
- 01임을 고려해 보면 2배 이상 큰 최대 동수경사를 보였다. 따라서 고수위로의 수위 상승은 결과적으로 구조물의 파손부를 통하여 침투수가 유출되고, 이때 한계동수경사 이상으로 동수경사가 크게 나타나게 되어 파이핑 발생 가능성 등으로 제체 안정에 불리할 것으로 분석된다. 또한, 수위가 하강하는 동안 동수경사의 하락에도 불구하고 한동안 한계동수 경사 이상을 보이고 있어 파이핑 발생이 지속될 수 있음을 예측할 수 있다.
- 본 연구사례의 경우 제외지측에 수문이 위치하고 파손부 유출이 발생하는 경우 침투해석 전 시간대에 걸쳐 대부분 불포화흐름을 보이고 있어 제외지에서 침투한 침투수가 파손부에서 배수통문 내부로 유출이 발생됨에 따라 누수가 없는 경우에 비해 상대적으로 작은 간극수 압을 나타나고 있어 누수 발생 가능성을 추측할 수 있을 것으로 보인다. 또한 제내지측에 수문이 위치하여 파손부 유출이 발생할 때는 배수통문 입구를 통한 물의 직접 적인 유입 영향으로 파손부 유출이 없을 때보다 상대적으로 높은 간극수압 분포를 나타내는 경향을 보였다.
- (1) 제외지측에 수문이 위치하는 경우 파손부로의 누수로 인한 유출 영향으로 유출이 발생하지 않을 때와 비교하여 누수발생 위치 주변으로 침윤선이 집중되었으며, 고수위 상태가 지속되는 동안 침윤선은 누수 지점을 향하여 짧은 침투 경로를 보여 이로 인해 큰 동수경사를 보일 수 있음을 예측할 수 있었다. 또한, 제내지측 수문이 닫혀 있는 경우 고수위시 긴침투 경로를 형성하며, 누수가 없는 경우에 비해 상대적으로 높은 침윤선의 상승을 보였다.
- 즉, 고수위로 수위 상승시 동수경사의 증가는 구조물 내부로의 상향 침투가 발생하기 때문이며, 고수위 기간 동안 제체 사면으로부터의 침투수 영향으로 동수경사는 점차 감소하게 되는 것이다. 본 사례의 경우 제외지측에 수문이 위치하는 경우에 비해 상대적으로 하부 파손부에서의 파이핑 발생 가능성은 낮을 것으로 보인다.
- 본 사례의 경우 최대 유출 속도는 누수가 발생하지 않는 경우 약 1.1m/day를 보였으나 누수가 발생하는 경우 이보다 2배 이상 큰 2.4m/day의 유출속도를 보이고 있으며, 고수위가 더 유지된다면 더 큰 유출 속도를 보일 것으로 예상된다.
- 즉, 고수위로 수위 상승이 되고 고수위를 유지하고 있는 동안 지속적으로 동수경사가 상승하게 되어 이 시기에 파이핑 발생 우려가 크게 된다. 본 연구 사례의 경우 최대동수경사가 2.55로 보축제체 재료의 한계동수경사가 1.01임을 고려해 보면 2배 이상 큰 최대 동수경사를 보였다. 따라서 고수위로의 수위 상승은 결과적으로 구조물의 파손부를 통하여 침투수가 유출되고, 이때 한계동수경사 이상으로 동수경사가 크게 나타나게 되어 파이핑 발생 가능성 등으로 제체 안정에 불리할 것으로 분석된다.
- 본 연구사례의 경우 제외지측에 수문이 위치하고 파손부 유출이 발생하는 경우 침투해석 전 시간대에 걸쳐 대부분 불포화흐름을 보이고 있어 제외지에서 침투한 침투수가 파손부에서 배수통문 내부로 유출이 발생됨에 따라 누수가 없는 경우에 비해 상대적으로 작은 간극수 압을 나타나고 있어 누수 발생 가능성을 추측할 수 있을 것으로 보인다. 또한 제내지측에 수문이 위치하여 파손부 유출이 발생할 때는 배수통문 입구를 통한 물의 직접 적인 유입 영향으로 파손부 유출이 없을 때보다 상대적으로 높은 간극수압 분포를 나타내는 경향을 보였다.
- 제내지에 수문이 위치하고 파손부 유출이 발생할 경우 고수위로 수위상승시의 최대동수경사는 거의 4.4를 나타내고 있어 제외지측에 수문이 위치하는 경우의 2.55보다 약 1.7배 정도 큰 값을 나타내었으나 이때는 배수통 문에서 제체내부로의 침투가 발생하므로 파이핑은 발생하지 않으며, 수위가 저하하는 일부시간대(39.5day～40.75day)에서 단기적으로 제체로부터 파손부를 향하여 하향의 유출이 발생하면서 일시적인 토사 유출 가능성을 보인다. 즉, 오랜 세월 이러한 현상이 반복적으로 발생하는 경우 장기적인 제체 안정에 손상을 줄 수도 있을 것이다.
- 이러한 간극수압의 증가는 제체의 안정성에 손상을 줄 수 있다. 즉, 간극수압이 누수가 없는 경우에 비해 1.8배 정도 상승함에 따라 제체의 안정성도 그만큼 불안정하게 될 수 있음을 고려해야 할 것으로 판단된다.
- 8(a)와 비교하여 수위가 상승함에 따라 배수통문 누수 발생 위치 주변으로 침윤선이 집중되고 있으며, 특히 고수위시 침윤선이 급격한 경사를 가지면서 누수 위치까지 짧은 침투 경로를 형성하고 있음을 알 수 있다. 즉, 고수위로 수위가 상승하고 고수위 상태가 지속되는 동안 침윤선은 누수 지점을 향하여 짧은 침투 경로를 보이고 있으며, 이로 인해 큰 동수경사를 보일 수 있음을 예측할 수 있다. 한편 배수통문 구조물내로의 유출로 인해 제체의 제내지 끝단 쪽으로의 침투수 이동은 별로 나타나지 않는 것으로 보인다.
- (2) 제외지측에 수문이 설치되어 있는 경우 수위 상승및 고수위 유지 기간 동안에 침투유속 및 동수경사의 증가를 보이고 있어 누수로 인한 파이핑 발생이 우려된다. 즉, 고수위로의 수위 상승은 결과적으로 구조물의 파손부를 통하여 침투수가 유출되고 이때 한계동수경사 이상으로 동수경사가 크게 나타나게 되고 고수위 유지시 지속적으로 동수경사의 증가를 보여주고 있어 파이핑 발생 가능성 등으로 제체 안정에 불리할 것으로 분석된다.
후속연구
- 3m/day의 침투 유속을 보이나 이는 배수통문 내부에서 제체 속으로 침투되는 것으로 제외지측에 수문이 위치한 경우와 달리 실질적으로 상향의 침투가 발생함에 따라 제체의 파이핑과는 별 관계가 없는 것으로 보인다. 그러나 수위저하가 시작되고 일시적으로 유출 속도가 상승하는 40일 전후 시간대에는 하향 침투가 발생하는 순간으로서 이때 최대 3.0m/day의 유출속도를 보이고 있어 침투수 유출에 의한 파이핑 발생 가능성에 대해서 주의가 필요할 것으로 분석된다.
- 본 연구 결과 분석은 2차원 침투해석을 바탕으로 수행된 것으로서 보축이 이루어진 하천제체를 관통하는 배수통문의 신구 연결부 파손에 따른 누수와 관련한 해석 조건을 배수통문 측면을 통한 침투수 유입 등과 같은 실제 조건을 반영하는데 제한적이어서 그 결과 역시 실제의 경우와는 차이가 있을 것으로 보인다. 따라서 이러한 문제점을 보완하기 위해서는 3차원 해석을 통한 보다 상세한 분석이 필요할 것으로 판단된다.
- 본 연구 결과 분석은 2차원 침투해석을 바탕으로 수행된 것으로서 보축이 이루어진 하천제체를 관통하는 배수통문의 신구 연결부 파손에 따른 누수와 관련한 해석 조건을 배수통문 측면을 통한 침투수 유입 등과 같은 실제 조건을 반영하는데 제한적이어서 그 결과 역시 실제의 경우와는 차이가 있을 것으로 보인다. 따라서 이러한 문제점을 보완하기 위해서는 3차원 해석을 통한 보다 상세한 분석이 필요할 것으로 판단된다.
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